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在JCAS、Angew.等期刊上發(fā)布多篇論文!南京大學(xué)王新平課題組自由基合成與性質(zhì)研究取得系列進(jìn)展

來源:南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院      2020-07-14
導(dǎo)讀:自由基在化學(xué)反應(yīng)、催化、生物化學(xué)和功能材料等領(lǐng)域扮演著重要的角色。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院王新平課題組自2011年以來一直致力于自由基化合物的合成及其性質(zhì)研究,取得了一系列重要成果。今年上半年,課題組在雙自由基、主族金屬自由基以及基于自由基的磁性多穩(wěn)態(tài)等方向再次取得系列研究進(jìn)展。 研究成果以若干篇論文形式發(fā)表在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.和Nat. Commun.。


三電子σ-鍵的概念最早由Linus Pauling 1931年提出,是自由基化學(xué)、生物化學(xué)、有機(jī)反應(yīng)、光化學(xué)等等領(lǐng)域的重要中間體,如阿爾茨海默病(Alzheimers Disease, 又稱早老性癡呆癥)的病理形成過程中就涉及含SS, SNSO等三電子σ鍵中間體。 近幾年本課題組合成了穩(wěn)定的含SeSeNat. Commun. 2014),SS (JACS, 2014)CoCo (Angew. Chem. Int. Ed. 2015),以及CoCr (JACS, 2017)三電子鍵自由基化合物。在此基礎(chǔ)上,最近本課題組得到了首例基于奇數(shù)電子鍵的雙自由基化合物(圖1)。他們首先設(shè)計(jì)通過奈環(huán)橋基的四苯基四硒化合物,經(jīng)過兩次化學(xué)氧化,生成兩價(jià)陽離子。研究表明,該陽離子具有開殼層雙自由基結(jié)構(gòu),兩個(gè)Se-Se三電鍵之間存在反鐵磁作用(-0.29 kcal/mol)。有趣的是, 類似的硫類似物卻形成平面閉殼層結(jié)構(gòu)。此工作擴(kuò)展了人們對(duì)于三電子鍵以及雙自由基的認(rèn)識(shí)。論文發(fā)表在Nat. Commun. (“A Diradical Based on Odd-Electron σ-Bonds”,DOI: 10.1038/s41467-020-17303-4),碩士生楊聞邦、廣西科技大學(xué)的張莉博士和南京工業(yè)大學(xué)肖鄧孟非為第一作者,趙莉莉教授(南工大), Gernot Frenking 教授 (德國(guó)Philipps-Universit?t Marburg大學(xué))和王新平教授為通訊作者。

 


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然而,含硫雙自由基可以通過芘橋基的雙噻蒽硫雜稠環(huán)烴的氧化獲得。近期,該課題組設(shè)計(jì)合成了一種全新的雙噻蒽硫雜稠環(huán)烴(圖2)。循環(huán)伏安研究表明,這種化合物可以實(shí)現(xiàn)可逆的兩倍氧化反應(yīng)。在電化學(xué)研究的基礎(chǔ)上,使用氧化劑NO[Al(ORF)4]ORF=OC(CF3)3)對(duì)該化合物進(jìn)行兩倍氧化,成功分離得到了 雙自由基雙陽離子鹽。 電子順磁共振(EPR)圖譜顯示了零場(chǎng)分裂(ZFS)和強(qiáng)烈的半場(chǎng)信號(hào),表明存在較強(qiáng)的分子內(nèi)相互作用。超導(dǎo)量子干涉(SQUID)表明基態(tài)為三線態(tài),單-三線態(tài)能量差2J = 174 K,是首例高自旋硫雜稠環(huán)烴雙自由基。高自旋有機(jī)分子在化學(xué)反應(yīng)和功能材料領(lǐng)域受到了人們的廣泛關(guān)注。其中,硫雜開殼層稠環(huán)烴在電子學(xué)和磁學(xué)領(lǐng)域有著重要意義。但目前報(bào)道的高自旋雙自由基(S = 1)多是基于C/N/O的有機(jī)雙自由基,有關(guān)含硫雙自由基的報(bào)道則十分少見。迄今為止,所有報(bào)道的含硫三線態(tài)雙自由基都含有起穩(wěn)定作用的N元素,而三線態(tài)硫雜稠環(huán)烴雙自由基則從未被報(bào)道過。 該成果以“A Magnetically Robust Triplet Ground State Sulfur-Hydrocarbon Diradical Dication”為題,發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 7340?7344)。博士生唐樹軒為論文第一作者,王新平教授為通訊作者。

 


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有趣的是,如果在上面分子中用氮原子取代硫原子,兩次還原之后卻只得到單線態(tài)雙自由基。氮雜并苯類化合物由于其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性、性質(zhì)的可調(diào)控性以及在有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFETs)、有機(jī)光伏器件(OPVs)和有機(jī)發(fā)光二極管(OLEDs)中的潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。對(duì)這類化合物的氧化還原性質(zhì)的研究將有助于它們?cè)谝陨项I(lǐng)域應(yīng)用的研究。人們已經(jīng)分離出了一系列氮雜并苯閉殼層雙陰離子,而氮雜并苯雙自由基雙陰離子未報(bào)道。我們利用KC8分別對(duì)兩例芘聯(lián)氮雜并苯衍生物 (圖3)進(jìn)行兩倍還原,成功分離得到了 雙陰離子雙自由基。通過X-射線單晶衍射測(cè)定了他們的單晶結(jié)構(gòu),并利用紫外可見光譜(UV-Vis)、電子順磁共振(EPR)和超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)等表征手段以及DFT 量化計(jì)算,磁學(xué)性質(zhì)研究結(jié)果表明雙陰離子的基態(tài)均為開殼層單線態(tài),且單線態(tài)-三線態(tài)能量差很小,易熱激發(fā)為三線態(tài)。該成果以“Crystalline Diradical Dianions of Pyrene-fused Azaacenes為題,發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.202001842)。博士生陳超為論文第一作者,蘇遠(yuǎn)停副教授(蘇州大學(xué)自由基功能材料研究中心)和王新平教授為通訊作者。

 


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以上均屬于非金屬自由基物種。相對(duì)而言,主族金屬的穩(wěn)定自由基發(fā)展較緩慢,而基于主族金屬-金屬鍵的自由基更是稀少。 王新平課題組在前幾年分別合成了主族金屬銻的陽離子自由基(Angew. Chem. Int. Ed., 2017)和陰離子自由基(Angew. Chem. Int. Ed. 2019后,今年利用氮雜環(huán)卡賓穩(wěn)定并分離了首例主族鎵金屬的陽離子自由基及雙陽離子。烯烴陽離子([C=C]?+)及雙陽離子[C=C]2+是有機(jī)合成中的重要中間體,可以被穩(wěn)定分離, 而主族金屬類烯烴陽離子自由基卻不穩(wěn)定。但該課題組通過對(duì)雙鎵烯化合物進(jìn)行單電子氧化及兩電子氧化,成功得到雙鎵烯陽離子自由基化合物和雙陽離子化合物(圖4)。 通過電子順磁共振和自旋密度分布圖發(fā)現(xiàn)陽離子自由基中的自旋密度主要分布在兩個(gè)鎵原子上。他們發(fā)現(xiàn)雙鎵烯陽離子自由基鹽具有很高的化學(xué)活性。通過與三正丁基錫化氫反應(yīng)得到奪氫產(chǎn)物,而自由基鹽和硫單質(zhì)反應(yīng)得到了首例含階梯狀Ga4S4核的雙陽離子化合物,該化合物有可能作為合成硫化鎵材料的單分子前體。 這項(xiàng)成果以Stable Radical Cation and Dication of an N‐Heterocyclic Carbene Stabilized Digallene: Synthesis, Characterization and Reactivity為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.202000051。博士研究生馮鐘濤為論文第一作者, 譚庚文教授(蘇州大學(xué)自由基功能材料研究中心)及王新平教授為通訊作者。

 

 

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自由基由于具有不成對(duì)電子可能具有特殊的物理性質(zhì)(如磁性)。分子磁性雙穩(wěn)態(tài)是指分子存在兩種不同的穩(wěn)定態(tài),在外界條件(如熱、光、壓力等)的微擾下導(dǎo)致兩種狀態(tài)的互變,并在一定的區(qū)間共存而產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象,具有開關(guān)和信息存儲(chǔ)的功能。雙穩(wěn)態(tài)磁性材料不僅在基礎(chǔ)研究方面具有重要的意義,而且在分子材料領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。幾年前王新平課題組發(fā)現(xiàn)單個(gè)有機(jī)雙自由基分子在熱作用下可以通過分子

內(nèi)電子耦合產(chǎn)生磁性雙穩(wěn)態(tài)(JACS,2016)。最近,該課題組跟中科院北京化學(xué)所王德先研究員課題組合作發(fā)現(xiàn)陰離子自由基磁性多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。他們通過對(duì)苯酰亞胺還原,得到了陰離子自由基。晶體結(jié)構(gòu)表明陰離子形成(AA1-和(BB1-兩種形態(tài)并成π-π層疊排列。磁性測(cè)試發(fā)現(xiàn)在不同的溫度區(qū)間(220-242 K170-210

K晶體具有兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài),寬度分別達(dá)25K27K)的磁滯回線(圖5)。(AA1- 和(BB1- 之間距離隨溫度變化導(dǎo)致電子之間作用力改變產(chǎn)生多穩(wěn)態(tài)。這是首例基于自由基pimer的磁性雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象,也是首例基于陰離子自由基的磁性多穩(wěn)態(tài)例子。這項(xiàng)成果以Magnetic Multistability in an Anion Radical Pimer為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/ange.202003927。庹德輝(中科院北化所博士生)和博士研究生陳超為論文的第一作者,王德先研究員(中科院化學(xué)所)和王新平教授通訊作者。

 

 

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本系列研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部、江蘇省自然科學(xué)基金委、南京大學(xué)、化學(xué)化工學(xué)院、配位化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及江蘇省先進(jìn)有機(jī)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)在經(jīng)費(fèi)方面的支持。感謝趙越老師等所有合作者的貢獻(xiàn),感謝杭慶偉老師、王天維老師以及宋友老師的熱心幫忙和討論。


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